COMPARACIÓN DE METODOLOGÍAS DE DISEÑO GRUPOS DE PILAS EN SUELOS RESIDUALES, CASO DE LA EIA LAS

PALMAS

Grupos de pilas sometidas a carga vertical y carga lateral

SANTIAGO CARDONA BALBIN

Trabajo de grado para optar al título de

Ingeniero Civil

Director

Manuel Alonso Builes Brand

Ingeniero Civil

Master en Ciencias

ESCUELA DE INGENIERÍA DE ANTIOQUIA INGENIERÍA CIVIL

ENVIGADO 2016

AGRADECIMIENTOS

La gratitud es el gesto más hermoso que puede tener un ser vivo con otro para demostrar su conformidad frente a cualquier situación; en primera instancia doy gracias a Dios nuestro padre celestial, ya que es de la mano de Él de la cual me puedo sostener sin sentir temor a ser soltado a la deriva, porque su doctrina de vida es la que generalmente rige mi caminar y su manto sagrado de bendiciones siempre cobija a mi familia y mis seres queridos. Amén e infinitas gracias a ti Padre Celestial que desde las sagradas escrituras enseñas a los hombres a honrar con agradecimientos a aquellos y todas aquellas cosas que están para nosotros, pues “todo lo que hacéis, sea de palabra o de hecho, hacedlo todo en nombre del Señor Jesús, dando gracias a Dios Padre por medio de él” (Colosenses 3:17).

En segunda instancia pero nunca menos importante, doy infinitas gracias a mi familia por ser la cuna del conocimiento que poseo, porque por cada uno de los integrantes de ella es que soy quien soy. Especial agradecimiento y única dedicatoria para mis bisabuelos maternos, quienes fueron mis protectores de infancia, hasta el último día de sus vidas estuvieron enseñándome desde su sabiduría de vida, y ahora desde el cielo me cuidan y guían mi caminar, este nuevo logro es para ustedes quienes son mis ángeles de la guarda. A mi madre doy inmensas gracias por ser el motor de mi vida, mi primera maestra y mi gran sustento en la tierra para jamás desviar mi camino del previsto por Dios, a ti mujer que aceptaste caminar conmigo este largo sendero desde hace más de 22 años, antes llevándome en tu vientre y ahora de la mano. A mi padre, que sin ser tu obligación decidiste amarme como tu mayor tesoro; mi hermano al cual veo como mi primer alumno de vida y amo con profundo sentimiento.

Doy gracias a mis segundas casas, mis escuelas de formación, tanto colegio (porque ser un bachiller del Liceo Salazar y Herrera es un honor que cuesta) como universidad, porque desde ellas pude formarme en valores y conocimientos técnicos, logrando así ser un ciudadano y profesional, íntegro y útil. Gracias a todos los profesores que han guiado mi formación académica y especialmente a Néstor Restrepo, porque gracias a él, a su concejo de profesión, es que hoy cuento esta historia como un futuro ingeniero. Agradecimientos para la Universidad EIA, por permitirme usar su infraestructura física, humana y académica para el desarrollo tanto de este trabajo de grado como de mi perfil profesional. Agradezco también a Manuel Builes Brand, quien fue mi director de trabajo de grado, por la ayuda brindada para ejecutar este requisito y por retarme cada día a ser un profesional autodidacta, el cual tiene la competencia de poder aprender por sus propios medios. Agradecimientos a la empresa Vieco Ingeniería por su diligente asesoría.

Por último, doy gracias a mis compañeros, quienes son mis mayores confidentes en este misterio del conocimiento, los cuales durante cinco años tuvieron el valor de seguir luchando a mi lado para lograr el objetivo de convertirnos en profesionales aptos para crear país. A mis amigos externos a la academia, los cuales son un apoyo incondicional, y a la vida por ser la mejor maestra.

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CONTENIDO

pág.

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 10

1. PRELIMINARES ....................................................................................................... 11

1.1 Planteamiento del problema .............................................................................. 11

1.2 Justificación ....................................................................................................... 12

1.3 Objetivos del proyecto ....................................................................................... 13

1.3.1 Objetivo General ......................................................................................... 13

1.3.2 Objetivos Específicos ................................................................................. 13

1.4 Marco de referencia ........................................................................................... 14

1.4.1 Antecedentes ............................................................................................. 15

1.4.2 Parámetros generales de los suelos ........................................................... 16

1.4.3 Pilas y capacidad de carga ......................................................................... 18

1.4.4 Modelación física para grupos de pilas ....................................................... 27

1.4.5 Interpretación de los resultados .................................................................. 30

2. METODOLOGÍA ....................................................................................................... 32

2.1 Definición de las variables relevantes ................................................................ 32

2.1.1 Revisión del estado del arte y consulta con expertos ................................. 32

2.1.2 Definición de los aspectos más importantes del modelo ............................. 32

2.2 Diseño del modelo experimental y modelo teórico ............................................. 32

2.2.1 Estudio de suelos ....................................................................................... 32

2.2.2 Diseño a escala .......................................................................................... 33

2.2.3 Capacidad de carga teórica ........................................................................ 33

2.3 Construcción e implementación del modelo ....................................................... 33

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2.3.1 Construcción del modelo ............................................................................ 33

2.3.2 Implementación del modelo y ensayos de carga ........................................ 33

2.4 Análisis de los resultados y conclusiones .......................................................... 35

3. VERIFICACIÓN DE METODOLOGÍAS DE DISEÑO PARA GRUPOS DE PILAS EN SUELOS RESIDUALES ................................................................................................... 37

3.1 Definición de las variables relevantes ................................................................ 37

3.1.1 Revisión del estado del arte y consulta a expertos ..................................... 37

3.1.2 Definición de los aspectos más importantes del modelo ............................. 37

3.2 Diseño del modelo experimental y modelo teórico ............................................. 38

3.2.1 Estudio de suelos ....................................................................................... 38

3.2.2 Diseño a escala .......................................................................................... 45

3.2.3 Capacidad de carga teórica ........................................................................ 46

3.3 Construcción e implementación del modelo ....................................................... 50

3.3.1 Construcción del modelo ............................................................................ 50

3.3.2 Implementación del modelo y ensayos de carga ........................................ 53

4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS ............................................................................... 59

4.1 Resultados de ensayos de carga ....................................................................... 59

4.1.1 Ensayos de carga vertical ........................................................................... 59

4.1.2 Ensayos de carga lateral ............................................................................ 64

4.2 Comparación de los resultados teóricos y experimentales ................................ 66

4.2.1 Carga vertical ............................................................................................. 66

4.2.2 Carga lateral ............................................................................................... 69

5. CONCLUSIONES Y CONSIDERACIONES FINALES .............................................. 72

................................................................................................................................... BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................................................ 74

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LISTA DE TABLAS

pág. Tabla 1. Desglose de aplicación de carga (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985). ............................... 35 Tabla 2. Formato de apuntes (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985). ................................................. 36 Tabla 3. Procesamiento de datos ensayo Límite Líquido ................................................................................... 40 Tabla 4. Límite Plástico e Índice de Plasticidad ................................................................................................. 41 Tabla 5. Esfuerzos Normales y Cortantes Máximos para cada muestra ......................................................... 43 Tabla 6. Resultados de Módulos de Elasticidad y Corte .................................................................................... 44 Tabla 7. Fuerzas máximas resistentes de los elementos estructurales del montaje ......................................... 46 Tabla 8. Variables de diseño .............................................................................................................................. 47 Tabla 9. Capacidad por punta según las metodologías de diseño .................................................................... 47 Tabla 10. Capacidad por fuste según las metodologías de diseño .................................................................... 47 Tabla 11. Capacidad a carga vertical según las metodologías ......................................................................... 48 Tabla 12. Asentamiento elástico S1, S2 y S3 según las metodologías de diseño .............................................. 48 Tabla 13. Asentamiento total según las metodologías de diseño ..................................................................... 48 Tabla 14. Variables geométricas y geotécnicas para carga lateral ................................................................... 49 Tabla 15. Módulo de reacción según Vesic ....................................................................................................... 49 Tabla 16. Carga en la superficie teórica por el método de Brooms ................................................................... 49 Tabla 17. Cálculos de metodologías de carga lateral ........................................................................................ 50 Tabla 18. Capacidad teórica vs experimental por punta y por fuste del grupo de pilas ................................... 67 Tabla 19. Resultados teóricos vs resultados experimentales del grupo ........................................................... 67 Tabla 20. Errores porcentuales de capacidad de carga..................................................................................... 67 Tabla 21. Errores porcentuales de asentamientos totales ................................................................................ 68 Tabla 22. Resumen de los resultados experimentales y teóricos de carga lateral ............................................ 69 Tabla 23. Errores porcentuales de tipo de carga lateral ................................................................................... 70

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LISTA DE ECUACIONES

pág Ecuación 1. Capacidad de carga axial (Barreto Maya, 2011) ............................................................................ 18 Ecuación 2. Capacidad por punta y perfil de deformaciones de Vesic (Das, 2012) ........................................... 19 Ecuación 3. Capacidad de carga y supuesto deformaciones Terzaghi (Builes Brand M. A., 2015).................... 19 Ecuación 4. Capacidad de Carga por punta según Meyerhof (Das, 2012) ........................................................ 20 Ecuación 5. Capacidad de carga por punta método de Janbu (de Jesús Nij Patzan, 2009) ............................... 20 Ecuación 6. Capacidad de carga por punta método Berenzantsev (Berenzantzev, 1961) ................................ 21 Ecuación 7. Método Lambda (Das, 2012) .......................................................................................................... 21 Ecuación 8. Método Alfa para capacidad por fuste (Das, 2012) ....................................................................... 21 Ecuación 9. Asentamientos elásticos totales (Das, 2012) ................................................................................. 21 Ecuación 10. Asentamiento elástico 1 en pilas (Das, 2012) ............................................................................. 22 Ecuación 11. Asentamiento Elástico debido a la carga por punta (Das, 2012) ................................................ 22 Ecuación 12. Asentamiento Elástico debido a la carga por fuste (Das, 2012).................................................. 22 Ecuación 13. Ecuación elástica del suelo (Builes Brand M. A., 2015). ............................................................... 24 Ecuación 14. Correlación de Vesic para el módulo de reacción en suelos cohesivos (Facultad de Ingeniería U.N.L.P, 2015) .................................................................................................................................................... 24 Ecuación 15. Deflexiones por el Método de Modulo de reacción (Das, 2012) .................................................. 25 Ecuación 16. Cálculo de la reacción teórica del suelo (Pu) (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985) ...... 25 Ecuación 17. Eficiencia (Delgado Vargas, 1996). .............................................................................................. 27 Ecuación 18. Carga de grupos para suelos cohesivos saturados (Delgado Vargas, 1996) ................................ 27 Ecuación 19. Módulo de Elasticidad y Módulo de Cizalla (Ortuño, 2016) ......................................................... 44 Ecuación 20. Esfuerzo normal debido a una carga axial F en una sección A (Federación de Enseñanza de CC.OO. de Andalucía, 2011) .............................................................................................................................. 45 Ecuación 21. Esfuerzo normal debido a un momento flector en un elemento tipo pila en la superficie debido a una carga lateral F (Federación de Enseñanza de CC.OO. de Andalucía, 2011) ............................................... 45 Ecuación 22. Esfuerzo normal debido a un momento flector de un elemento tipo viga o placa simplemente apoyada debido a una carga vertical F (Federación de Enseñanza de CC.OO. de Andalucía, 2011) ................ 46 Ecuación 23. Esfuerzo cortante en la placa o en las pilas debido a una carga F (Federación de Enseñanza de CC.OO. de Andalucía, 2011) .............................................................................................................................. 46

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LISTA DE FIGURAS

pág. Ilustración 1. Método de Broms para arcillas (Das, 2012). ............................................................................... 23 Ilustración 2. Modelo elástico del suelo a carga lateral (Das, 2012) ................................................................. 24 Ilustración 3. Tabla de constantes para el cálculo de las deflexiones (Das, 2012) ............................................ 25 Ilustración 4. Diferencia en los bulbos de presiones (Delgado Vargas, 1996). .................................................. 26 Ilustración 5. Criterios según Vesic (Delgado Vargas, 1996). ............................................................................ 31 Ilustración 6. Montaje a escala real (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985). ....................................... 34 Ilustración 7. Perfil del suelo en el sitio de estudio ............................................................................................ 39 Ilustración 8. Imagen representativa del proceso para el ensayo de Límite Líquido ......................................... 40 Ilustración 9. Curva de Fluidez ........................................................................................................................... 41 Ilustración 10. Gráfico de Casagrande para caracterización física del suelo (Pérez Ayala, Vargas Rodríguez, & Córdoba Tuta, 2009).......................................................................................................................................... 42 Ilustración 11. Clasificación de Casagrande para el suelo de estudio ............................................................... 42 Ilustración 12. Datos del ensayo de corte directo con esfuerzo normal de 42kPa, 72kPa, 131kPa ................... 43 Ilustración 13. Esfuerzo normal vs Esfuerzo de corte ........................................................................................ 44 Ilustración 14. Planos constructivos en planta y corte del prototipo de grupos de pilas en AutoCAD .............. 51 Ilustración 15. Prototipos construidos ............................................................................................................... 51 Ilustración 16. Prototipos con articulación soldada a la platina ....................................................................... 52 Ilustración 17. Extracción de muestras de suelo del sitio de estudio ................................................................ 52 Ilustración 18. Transporte de las muestras desde el sitio de extracción al laboratorio .................................... 53 Ilustración 19. Instalación del prototipo en la masa de suelo ........................................................................... 54 Ilustración 20. Celda de carga (referencia FSH00417) ubicada en el émbolo del marco de reacción (Futek Inc, 2016) ................................................................................................................................................................. 55 Ilustración 21. Celdas de carga (referencia FSH01770) ubicadas en las pilas ................................................... 55 Ilustración 22. Hardware para el almacenamiento de datos ............................................................................ 55 Ilustración 23. Plano conceptual del montaje para los ensayos de carga vertical ............................................ 56 Ilustración 24. Ensayo de Carga vertical para grupos de pilas metálicas en suelos residuales ......................... 56 Ilustración 25. Plano del esquema para el ensayo a carga lateral .................................................................... 57 Ilustración 26. Ensayos de carga lateral vista frontal. ...................................................................................... 58 Ilustración 27. Ensayo de carga lateral vista lateral. ........................................................................................ 58 Ilustración 28. Carga por punta en cada pila, prueba de carga vertical 1........................................................ 59 Ilustración 29. Cargas de las cuatro pilas prueba vertical número 1 ................................................................ 60 Ilustración 30. Carga por punta en cada pila, prueba de carga vertical 2........................................................ 60 Ilustración 31. Cargas de las cuatro pilas prueba vertical número 2 ................................................................ 61 Ilustración 32. Carga por punta en cada pila, prueba de carga vertical 3........................................................ 61 Ilustración 33. Cargas de las cuatro pilas prueba vertical número 3 ................................................................ 62 Ilustración 34. Resultados por punta promedio para las tres pruebas .............................................................. 63 Ilustración 35. Resultados de carga total del grupo para las tres pruebas verticales ....................................... 63 Ilustración 36. Resultados ensayo 1 carga lateral ............................................................................................. 64 Ilustración 37. Resultados ensayo 2 carga lateral ............................................................................................. 65 Ilustración 38. Resultados de ensayo 3 carga lateral (ensayo definitivo) ......................................................... 65 Ilustración 39. Curvas Pu vs Deflexión teórica ................................................................................................... 66 Ilustración 40. Curvas p-y comparativas ........................................................................................................... 71 Ilustración 41. Comparación gráfica de deflexiones ......................................................................................... 71

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RESUMEN

Hoy en día, el resultado del diseño de grupos de pilas como sistema de fundación de estructuras en suelos residuales conlleva grandes incertidumbres, esto es debido a la utilización de metodologías de diseño que fueron desarrolladas para otro tipo de suelos que sólo presenta capacidad portante por fricción o por cohesión. Para Colombia esto podría representar sobrecostos en la implementación de este sistema de cimentación puesto que en nuestro medio se cuenta con una amplia distribución de formaciones de suelos residuales (los cuales tienen mecanismo de soporte por fricción y cohesión), lo que motiva a los ingenieros geotecnistas a diseñar con la metodología que le ofrezca los resultados más conservadores.

Los grupos de pilas, al igual que cualquier sistema de fundación, deberán ser diseñados tanto estructuralmente como geotécnicamente para resistir condiciones de carga vertical y lateral (independientemente de la metodología de cálculo que se use), además de eso, deberán satisfacer los requisitos impuestos por la NSR-10, llegando así a cumplir con los factores de seguridad a los que la norma NSR-10 obliga. Para el diseño de grupos de pilas también se debe tener en cuenta el factor de eficiencia, el cual indica cómo trabajan realmente en conjunto el sistema de pilas.

A partir de la implementación de un modelo a escala de grupos de pilas metálicas en los suelos residuales de la EIA sede Las Palmas, con ensayos de desplazamientos controlados (tanto lateral como vertical), se quiere estudiar el verdadero comportamiento de dicho sistema de fundación y compararlo con las metodologías tradicionales. Al final, con este proyecto (y continuaciones futuras) se intentará disminuir la incertidumbre que conlleva el proceso de diseño de los grupos de pilas en suelos residuales, obteniendo así, resultados precisos que no acarreen sobrecostos en la implementación de este sistema de fundación.

Palabras clave: Grupos de pilas, diseño, modelo, cohesión, fricción.

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ABSTRACT Currently, the result of design group piles as foundation system structures in residual soils involves large uncertainties, this is due to the use of design methodologies that were developed for other types of soil that only has bearing capacity friction or cohesion. For Colombia, it represents cost overruns in the implementation of this foundation system because in our environment has a wide distribution of residual soils formations (which have both mechanisms load-bearing), which motivates geotechnical engineers to design with the methodology that offers the most conservative result. Groups of piles, like any foundation system, it must be designed both structurally and geotechnical to withstand conditions of vertical and lateral loads (regardless of the calculation methodology you use), besides that, the designer should carry out the requirements imposed by NSR-10, reaching safety factors which the rule requires. For the design of groups of piles must also have the efficiency factor, which indicates how the system of piles really work together. From the implementation of a scale model metallic piles group in the residual soils of the EIA Las Palmas, with controlled load tests (lateral and vertical), the purpose is to study the actual behavior of the system foundation and to compare with traditional methodologies. At the end, this project (and future continuations) will attempt to reduce the uncertainty involved in the design process group’s piles, thus obtaining accurate results that don’t entail in cost overruns in the implementation of this foundation system

Key words: Pile group, design, model, friction, cohesion.

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INTRODUCCIÓN

En la actualidad, cada vez se hace más necesaria la construcción de obras civiles de mejores especificaciones técnicas debido a las demandas económicas, crecimiento de la economía y de la población, tratando así de dar mayores garantías a todos los sectores del mercado, proveyendo la infraestructura necesaria para que el desarrollo de estos sectores se realice de manera ininterrumpida. Al crecer la demanda de estructuras de mayor eficiencia técnica y económica, la exigencia en el sector técnico de la ingeniería civil ha aumentado, solicitando cada vez más soluciones prácticas con fundamentos teóricos que suplan de manera segura las necesidades estructurales. El sector de la geotecnia no es un caso aislado de dicha problemática, por ende, día a día se incrementa el número de investigaciones enfocadas a metodologías que permitan concebir estructuras de fundación mucho más eficientes, tanto en la parte técnica como en la económica. Una de las soluciones que se implementa hoy en día para las estructuras es cimentar a partir de grupos de pilas, las cuales pueden ser una solución económicamente viable debido a que la construcción de las mismas podría implicar reducciones en tiempos y costos de obra.

La mayoría de las metodologías de diseño geotécnico para grupos de pilas empleadas comúnmente en el medio fueron desarrolladas a partir de la experimentación en suelos no residuales (normalmente encontrados en Europa), lo cual podría generar errores de concepción de dichos cálculos al ser aplicados en medios residuales, debido a que el comportamiento mecánico de ambos tipos de suelos es diferente. Este vacío del conocimiento puede generar sistemas ineficientes tanto en la parte técnica como en la económica. Por todo lo anterior, este trabajo de grado tiene como propósito verificar a partir de la experimentación a escala el comportamiento de los grupos de pilas en suelos residuales, sometidos tanto a solicitaciones de carga vertical como de carga lateral, comparando dichos resultados experimentales con algunas metodologías de diseño usadas actualmente para este tipo de sistema de fundación.

Para realizar este proyecto, se identificaron varias fases de trabajo que deben ser separadas con el fin de poder llevar a cabo dicho trabajo de grado con la calidad requerida. La primera fase consta de la identificación de las variables más relevantes a considerar en el proyecto, apoyado en una búsqueda y actualización del estado del arte en esta temática, acompañado por la asesoría de varios expertos en geotecnia. La segunda parte consiste en el cálculo teórico de la capacidad de carga del sistema y de las deformaciones presentes en el suelo, todo este proceso estará acompañado por un estudio de suelos realizado en el sitio de estudio y por un debido diseño estructural del prototipo. Luego, se trabajará en la tercera parte, la cual consiste en la construcción del modelo a escala y la implementación de los ensayos de carga. Por último, se trabajará en el análisis de los resultados y se sacarán las debidas conclusiones del trabajo realizado y de los resultados obtenidos, dando así culminación a este proyecto.

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1. PRELIMINARES

1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad, todas las metodologías de diseño de fundaciones (tanto superficiales como profundas) están apoyadas en la recolección de información obtenida de forma experimental alrededor del mundo y a partir de esto se realizan múltiples interpolaciones que relacionen los parámetros principales de las muestras ensayadas con el esfuerzo aplicado a la masa de suelo en estudio. A partir de lo anterior, se puede decir que dichas teorías son el fruto de un trabajo experimental que en muchas ocasiones ha trascendido a un rango de aplicación excepcional e inclusive, teniendo reconocimiento y uso en el transcurrir de los años con plena confianza por parte de los ingenieros geotecnistas. Pero por su carácter experimental y la variabilidad de las propiedades de los suelos en toda la corteza terrestre, dichos diseños son sometidos a los respectivos factores de seguridad de cada país, en este caso, a los exigidos por la norma colombiana (AIS, 2010).

Las metodologías del diseño de fundaciones profundas fueron el producto de mucho trabajo teórico- experimental acompañado del criterio de muchos expertos en el tema, pero dicho trabajo fue desarrollado en la mayoría de los casos entre la segunda mitad del siglo 19 y la primera mitad del siglo anterior (Arrúa & Aiassa, 2006) y hasta ahora se siguen usando en nuestro medio, aceptándose gracias a la buena respuesta que han tenido las estructuras hasta el día de hoy. Aunque el uso de las teorías no ha traído ninguna afectación a las estructuras construidas en Colombia, existe la posibilidad de poder optimizar los diseños de la región a partir de un avance exploratorio en cuanto a la interacción suelo-estructura presente en las obras construidas en suelos residuales.

En Colombia se encuentra en casi toda su extensión una gran variedad de suelos tropicales residuales, los cuales tienen por formación procesos geológicos distintos a los suelos sedimentarios ubicados en Europa, así que, “la aplicabilidad de las teorías de mecánica de suelos desarrollada para suelos no residuales es discutible, ya que es difícil incorporar los parámetros de estructura de los suelos residuales” (Suarez, Suelos Residuales, 2015). Sin importar los anterior, se han adelantado pocas investigaciones acerca del tema y aun así se siguen haciendo diseños de grupos de pilas con las teorías mencionadas aplicadas a los suelos residuales, lo cual conlleva a obtener resultados de diseño con incertidumbre asociada al uso de las metodologías europeas (como por ejemplo las curvas p-y).

Por todo lo anterior, se debe aceptar que a la hora de llevar a cabo el diseño de un grupo de pilas se corre un riesgo debido a la incertidumbre de los resultados obtenidos por las teorías, lo que lleva a escoger el método de diseño conservador para cada caso (y no el óptimo frente al gasto económico de la construcción de la fundación); y además de eso, gracias a la no validación experimental de las teorías tradicionales en los suelos residuales, se observa una oportunidad de aportar al estado del arte a partir de una investigación exploratoria en el ámbito de la interacción suelo estructura aplicada al lugar de estudio EIA sede las Palmas, con el fin de poder sacar debidas conclusiones para verificar la posible optimización o no, de los diseños de las fundaciones profundas en tales tipos de suelos,

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optando con criterio por diseños óptimos (obteniendo beneficios técnicos y en seguridad a la hora de reducir la incertidumbre en los resultados).

1.2 JUSTIFICACIÓN

Como se mencionó anteriormente, el no poder validar las teorías comúnmente aplicadas en el ámbito local ha llevado a los geotecnistas a reconsiderar la manera en la cual se siguen diseñando en Colombia las fundaciones profundas para soportar las estructuras modernas. Muchos autores como el ingeniero civil Andrés Felipe Uribe de la Universidad Nacional de Colombia (Uribe Santa, 2012) y el ingeniero civil Pedro Arrúa de la Universidad Tecnológica Nacional de Córdoba (Arrúa & Aiassa, 2006), en sus respectivas tesis de maestría, centran sus investigaciones en el comportamiento mecánico de las pilas, pero poco se ha avanzado en las teorías sobre la interacción suelo- estructura para dichos estratos de suelos residuales. El Ingeniero Manuel Builes Brand, ha incursionado en la investigación exploratoria junto con estudiantes de pregrado para determinar el comportamiento de las cimentaciones en los suelos residuales, los cuales tienen un comportamiento intermedio con respecto a las arenas y arcillas, que son la base de los suelos sedimentarios que fueron utilizados para el desarrollo de las metodologías de diseño de grupo de pilas.

Según (Suarez, Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales, 1998), “La aplicabilidad de las teorías y los criterios de diseño geotécnico que existen actualmente, podrían no ser completamente válidos en el caso de suelos residuales, debido a diferencias importantes que existen en la constitución y estructura de los suelos y de las formaciones residuales, y la de los suelos que sirvieron de modelo para el desarrollo de la mecánica de suelos tradicional”, lo que ratifica la necesidad de avanzar en los estudios de interacción de las estructuras de soporte profundo con los suelos que se tienen en Colombia, ya que aproximarse más a los datos reales obteniendo mejores funciones de correlación entre los parámetros del suelo y la capacidad de carga en los estratos residuales llenaría un vacío en el estado del arte, lo que se consideraría como un beneficio académico y social.

Existen varias metodologías como la de Terzaghi, Brooms y Meyerhof que buscan asociar las propiedades de los suelos y la geometría de las pilas con la capacidad de carga transmitida al estrato de apoyo (Hurtado, 2015), el inconveniente que se presenta con dichas teorías es que fueron hechas con el aporte experimental que se tenía en dicho momento como foco, es decir, a partir del estudio de los estratos europeos. En Europa se presentan condiciones de suelos sedimentarios (especialmente de arcillas y arenas), los cuales tienen un comportamiento o netamente cohesivo o únicamente por fricción, lo cual no pasa en los suelos residuales que se presentan en Colombia y en la EIA sede Las Palmas (los cuales poseen capacidad portante por ambas condiciones). Cabe resaltar, que los estudios experimentales han demostrado que al conservar una separación entre centro de pilas de 2,5 veces el diámetro de estas, el diseño de grupos de pilas puede ser reducido al diseño básico de pilas unitarias que trabajan de forma compatible pero independiente, efectuando un debido factor de eficiencia que dependerá de dicha separación y el número de pilas en el sistema. (Builes Brand M. A., 2015).

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Con las teorías de suelos sedimentarios, se sabe que la capacidad portante de un grupo de pilas no se comporta de forma lineal bajo altas deformaciones unitarias e inclusive existe una variabilidad en los resultados de la capacidad conjunta que ofrecen las distintas metodologías, los cuales pueden estar alejados estadísticamente entre un 20-25% unos resultados con los otros (cada uno depende de múltiples factores como las cargas y los tipos de suelo); el método más aproximado para la modelación de dicho fenómeno es el modelo de resortes, el cual consiste en llevar el grupo de pilas a un conjunto de resortes que trabajan de forma solidaria con el suelo y la estructura superior, con el fin de transmitir las cargas que se presentan al suelo de soporte, estos modelos están ligados directamente al módulo de reacción del suelo (Rodriguez, Tiusabá, & Sainea, 2014).

Al observar la variabilidad de los resultados, los geotecnistas tienden a ser conservadores en sus diseños de fundación, por ende, si se demuestra que las teorías tienden a ajustarse correctamente a los datos obtenidos en los ensayos de campo que se realizarán, o si por el contrario se logran determinar nuevas correlaciones entre la capacidad de carga y los parámetros de los suelos residuales (esto será a largo plazo ya que se necesita un número significativo de ensayos), se podrían optimizar los diseños si se encontrase experimentalmente valores de capacidad de carga mayores a los estipulados por las metodologías de diseño tradicionales, o bajar la incertidumbre y obtener resultados más precisos (existe la posibilidad de encontrar valores de capacidad de carga de manera experimental de menor magnitud que los arrojados por las metodologías).

1.3 OBJETIVOS DEL PROYECTO

1.3.1 Objetivo General

Comparar el comportamiento de grupos de pilas metálicas en los suelos residuales localizados en la Escuela de Ingeniería de Antioquia sede las Palmas usando un modelo a escala con respecto a los resultados de los métodos analíticos actuales.

1.3.2 Objetivos Específicos

Seleccionar las variables relevantes al comportamiento de grupos de pilas que se medirán en el modelo experimental, basado en una revisión del estado del arte y criterio ingenieril.

Diseñar las condiciones de carga y geometría tanto del modelo a escala que se va a implementar como del modelo teórico, basados en los resultados del estudio de suelos que se deberá hacer previamente.

Implementar los ensayos de modelo a escala con su respectiva instrumentación, aplicando cargas verticales y horizontales.

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Comparar los resultados obtenidos con el modelo a escala con respecto a los cálculos teóricos obtenidos de las metodologías tradicionales.

1.4 MARCO DE REFERENCIA

La decisión de usar una cimentación profunda o una cimentación superficial está regida por diversos factores como la magnitud de la carga que baja por el sistema estructural, el tipo de suelo en donde se va apoyar la estructura, la geometría y excentricidad de la estructura, la apreciación del ingeniero geotecnista, los tiempos y costos de las fundaciones (Builes Brand M. , 2015). Todos los parámetros anteriormente mencionados se conjugan para que el grupo interdisciplinar de ingenieros puedan tomar la decisión que solucione el problema de la manera más adecuada. El tipo de cimentación profunda más conocido y usado en el medio colombiano es la pila o pilote, está solución es conocida por la facilidad que da a la estructura de llevar grandes magnitudes de carga (alrededor de 15000 KN por pila en adelante) a estratos de suelos con profundidades considerables (existen pilas que tienen longitudes mayores a los 50 metros en Colombia, como son las encontradas en Bogotá) con el fin de poder apoyar la estructura en un suelo que tenga la capacidad portante suficiente como para obtener asentamientos ubicados en los rangos permitidos por la norma de cada país (Builes Brand M. , 2015).

Existen múltiples tipos de pilas de acuerdo con el tamaño, construcción y material; unas de ellas son las pilas metálicas, las cuales pueden ser de tubos de acero o perfiles creados en fábrica tales como los perfiles en “I”, por lo general son hincados en campo con maquinaria especializada que le ejerce cierta fuerza en la parte superior y logra en lapsos cortos de tiempo introducirla en el terreno. Este tipo de pila tiene múltiples ventajas como lo es su alta resistencia a los esfuerzos de hincado, fácil manipulación con respecto al corte, poder lograr grandes longitudes, logra alcanzar altas capacidades de carga y puede penetrar estratos duros de suelo; algunas desventajas que presentan las pilas de este material son su alto costo, producen altos niveles de ruido durante el hincado, sufren por corrosión debido a la acción del agua en el suelo y algunos perfiles sufren desviaciones en el momento del hincado (Pinto, 2014). En Colombia este tipo de pilas no es usado por un factor técnico relevante, estas al ser hincadas, no se tiene la certeza de que hayan llegado a la cota de profundidad deseada, ya que pueden existir en el terreno fragmentos grandes de roca con los cuales se puede topar la pila en el momento del hincado (lo que se presenta mucho en la ciudad de Medellín) y la pila sea sometida a deformaciones por este proceso; actualmente no existen pruebas que demuestren desde superficie si la pila metálica llegó a la profundidad deseada. Para este caso de estudio, lo mencionado anteriormente no es un problema, ya que como se trabajará con un modelo de pilas de dimensiones inferiores a 1 metro, no se tendrán clastos grandes de roca que puedan deformar las pilas de prueba. Por lo anterior y por la facilidad que se presenta al trabajar con las pilas metálicas, se decide usar este material para el modelo.

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1.4.1 Antecedentes

Como se ha comentado anteriormente, sin importar el tipo de material o proceso constructivo de las pilas, no se tiene un registro formal con estudios de ensayos de campo (con la cantidad de muestras aleatorias necesarias) que demuestren que las metodologías usadas para el diseño de las pilas en los suelos residuales tiene el comportamiento que se supone, por ende, los diseños están sometidos a criterios de diseño conservadores; por el contrario, en los suelos sedimentarios se han realizado la cantidad estadísticamente necesaria de ensayos in- situ para determinar la capacidad real de carga de dichos elementos de fundación, los cuales arrojan resultados que terminan por validar dichas metodologías para este tipo de suelos.

Un ejemplo importante para mencionar es el concurso realizado por el Instituto Belga de Investigación de Construcciones (BRRI) y la Universidad de Louvain en 2001, dicho evento consistió en la predicción para establecer el comportamiento de distintos tipos de pilas excavadas en Limelette, cerca de Bruselas, con alto grado de control sobre las dimensiones y condiciones de construcción de los especímenes. En este concurso se instalaron 32 pilotes en el terreno para ser probados a partir de metodologías de ensayos dinámicos y estáticos. Las pilas fueron separadas por grupos para poder realizar múltiples pruebas sobre cada grupo y así poder obtener los parámetros de carga en el estado de carga estática y dinámica. Los resultados obtenidos fueron puestos en comparación con las predicciones hechas por los participantes a partir de las metodologías tradicionales, dichas metodologías fueron alimentadas a partir de los parámetros del suelo obtenidos por diversos ensayos de campo como lo son el CPT, PMT, DMT y ensayos de laboratorio tradicionales. Al final, se obtuvieron gráficas de Carga aplicada vs Asentamientos en las pilas y los resultados al ser comparados con las predicciones muestran un comportamiento adecuado para bajas deformaciones, pero grandes variaciones entre los resultados teóricos y experimentales en el rango plástico. Para una de las pilas sometida a carga vertical estática, se encontró que la carga en campo tenía un valor de 3500 KN, mientras que las múltiples metodologías de diseño daban resultados entre los 1200 KN hasta los 3800 KN, lo cual demuestra la alta variabilidad de los resultados arrojados por las metodologías (Caballero, 2007).

Otro caso por mencionar es el referente al pilote ubicado en el predio de la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional de Córdoba, el cual fue construido en 1997, tiene un diámetro de 30 cm y una longitud de 3 m. Sus estudios fueron realizados en el mismo año de construcción. El pilote fue ensayado por el método estático de respuesta transitoria (TRM), el cual tiene como objetivo medir la rigidez estática inicial a partir de la obtención de la curva de carga vs asentamientos. Al final, los resultados fueron comparados con los resultados arrojados por los modelos de Duncan y Davisson (los cuales son modelos por elementos finitos), estos modelos fueron alimentados con los parámetros del suelo y del pilote, se encontró que los modelos teóricos se ajustan de forma casi perfecta al modelo en campo, obteniendo variaciones de capacidad de carga de sólo el 1% con respecto a los resultados experimentales (Caballero, 2007). Con lo anterior, se puede concluir que las múltiples metodologías pueden arrojar resultados que llegan a estar demasiado cercanos a los valores reales de carga de las pilas y esto sólo se puede comprobar a partir de la modelación en campo (ya que como se observó en el ejemplo de Limelette, también existen

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metodologías que arrojan resultados demasiado alejados de la realidad), por lo cual se recomienda realizar la misma experimentación en suelos residuales y para grupos de pilas.

A diferencia del caso de carga vertical, en carga lateral no se han realizado avances significativos en cuanto al tema de experimentación a partir de ensayos de carga para los grupos de pilas, tanto en suelos sedimentarios como en suelos residuales. Por el contrario, el interés de los investigadores se ha enfocado más en la experimentación sobre pilas individuales, con el fin de obtener mayores aproximaciones al módulo de reacción del suelo y poder corroborar la validez de las metodologías elásticas de diseño basadas en suposiciones tales como que el suelo es un medio que puede ser modelado a partir de resortes elásticos que al aplicarles una fuerza se obtendrá una deformación elástica (Zhang, Andersen, & Tedesco, 2016); tal es el caso de los investigadores Youhu Zhang y su grupo de trabajo, quienes buscaban a partir de modelación por elementos finitos observar el comportamiento de una pila individual con geometría definida sobre la influencia de una carga lateral en un suelo arcilloso estratificado, tratado de analizar el efecto de la estratificación sobre el comportamiento del sistema suelo-estructura al aplicar una carga lateral; al final, como conclusión obtienen que la existencia de un suelo con múltiples estratos afecta de manera considerable la capacidad portante del sistema suelo-estructura frente la aplicación de una carga lateral (Zhang, Andersen, & Tedesco, 2016).

1.4.2 Parámetros generales de los suelos

El suelo como estructura siempre tendrá comportamientos cohesivos o friccionantes, es decir, su resistencia se ve relacionada por estas dos características, las cuales dependen de la estructura interna, mineralogía y procesos de formación de ese suelo en específico. Para cuantificar estas dos propiedades, se han implementado dos parámetros matemáticos que le den valor numérico a la calidad o falta de estas características, dichos parámetros son conocidos como el ángulo de fricción y la cohesión del suelo. En Europa se puede hacer una simple clasificación de los suelos a partir del comportamiento estructural, esta clasificación está dada de la siguiente manera: suelos compuestos por arcillas, las cuales tienen propiedades totalmente cohesivas, pero su mecanismo friccionante es prácticamente nulo; y suelos compuestos por materiales granulares como lo son los suelos arenosos, estos tienen un mecanismo totalmente friccionante para el soporte de cargas, pero la poca adherencia de sus partículas no le permite tener capacidad cohesiva.

Para cuantificar estas propiedades de los suelos, en la actualidad existen múltiples métodos (con duraciones de ensayo que varían entre 1 día a 15 días), los cuales buscan a partir de una exploración en campo determinar la resistencia final bajo un proceso definido. Los métodos de exploración y determinación de las propiedades de los suelos están divididos en varios grupos, los más importantes son: ensayos de laboratorio, ensayos de campo y exploración geofísica.

Los ensayos de laboratorio apropiados para determinar las propiedades portantes de los suelos son los ensayos de corte en sus modalidades no drenado- no consolidado (UU), consolidado-no drenado (CU) y consolidado-drenado (CD) (Delgado Vargas, 1996); los ensayos triaxiales en las mismas tres modalidades que los de corte y la compresión inconfinada (la cual tiene múltiples restricciones y solo entrega la cohesión del suelo), los

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cuales tienen como principio la extracción de muestras para realizar las pruebas en laboratorio. Los ensayos de campo más usados para la determinación del ángulo de fricción y la cohesión son SPT, CPT, DMT, PMT; estos tienen como principio realizar las debidas pruebas en sitio y obtener rápidamente a partir de correlaciones los parámetros necesarios para realizar el diseño de las fundaciones (Delgado Vargas, 1996). Al final, cada método arroja resultados diferentes (por las restricciones con las cuales fueron concebidos), por ende, es responsabilidad y deber del ingeniero, seleccionar el debido proceso exploratorio con el fin de obtener resultados coherentes que se ajusten de manera correcta a las condiciones del suelo a estudiar.

o Suelos residuales

Un suelo residual puede definirse como “un material derivado de la meteorización in situ y la descomposición de fragmentos de roca que no hayan sido transportados desde su ubicación original” (Blight, 2012). Los procesos de formación de los suelos residuales recaen en la meteorización en sitio de una roca a partir de la acción de agentes físico o químico, los cuales descomponen y rompen la estructura interna que tiene la roca. Los agentes físicos más conocidos pueden ser la expansión térmica, la gelifracción y actividad antropológica, los cuales descomponen en fragmentos la roca inicial. La meteorización química está dada por agentes como agua, sales y ácidos que alteran la estructura interna de la roca por medio de oxidación e hidrólisis, transformando los minerales que tenía la roca en nuevas composiciones químicas. Todos los procesos de meteorización de los suelos residuales suceden in-situ. Los suelos residuales suelen comportarse de manera distinta a los suelos sedimentarios, los cuales fueron el producto de una meteorización y un transporte ocasionado por el viento, por el agua o por la gravedad (Brenner, Garca & Blight, 2012).

Como se mencionó anteriormente, la cohesión y el ángulo de fricción son parámetros importantes para determinar la capacidad de carga de un suelo; por el proceso de formación de los suelos residuales, estas propiedades tienen un comportamiento distinto en este tipo de suelos. La cohesión en los suelos residuales se presenta a partir de la acción de agente cementantes precipitados, por ende su distribución sobre el suelo no es uniforme, lo que hace que esta propiedad varíe en todo el espesor del estrato (Quintero Velez, 2015). Se han realizado múltiples ensayos de laboratorio, en donde se trata de evaluar el ángulo de fricción en un material procedente de suelos residuales, los resultados arrojan que existe hasta una variación de 10° en el mismo caso de estudio, por ende esto dificulta evaluar el comportamiento de los suelos residuales con la mecánica tradicional (Diaz, 1998). Además de todo lo anterior, el comportamiento de un suelo residual no puede ser clasificado como netamente cohesivo o netamente friccionante, ya que en su estructura interna posee ambos mecanismos de soporte de cargas, por ende, la mecánica de suelos tradicional y las teorías de diseño de fundaciones no deberían ser aplicadas de forma arbitraria sobre este tipo de suelos (Suarez, Deslizamientos y estabilidad de taludes en zonas tropicales, 1998).

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1.4.3 Pilas y capacidad de carga

Una pila es un elemento de fundación estructural (en general con un diámetro mayor a 80 cm, los diámetros menores a 80 cm son relacionados con los pilotes, (Builes Brand M. , 2015)) en donde se busca llevar las cargas impuestas de la estructura de forma solidaria a un estrato de suelo que tenga la capacidad portante para soportarlas sin exceder los asentamientos permitidos por la normatividad (asentamientos que garanticen las condiciones de servicio de la estructura). Las pilas pueden estar hechas de concreto, metal, madera y actualmente se han realizado pruebas en pilas hechas de polímeros (Delgado Vargas, 1996). El método constructivo puede ser excavado y vaciadas en sitio, hincadas con maquinaria especializada o una combinación de ambos métodos constructivos; la selección del material y del proceso constructivo dependerá de las necesidades o flexibilidades que ofrezca cada proyecto en particular. Las pilas pueden estar sometidas a solicitaciones de carga axial, carga lateral y momento flector; para cada uno de estos tipos de carga existen deducciones matemáticas en donde se relaciona la capacidad de carga con la geometría de la pila y los parámetros fundamentales del suelo.

o Carga axial

Las pilas (a diferencia de las cimentaciones superficiales) cuentan con doble componente de desarrollo de capacidad de carga, es decir, la capacidad última de carga está dada por la suma de la capacidad desarrollada en la punta y la capacidad desarrollada por la fricción o fuste.

𝑄𝑡 = 𝑄𝑠 + 𝑄𝑝 𝑄𝑡 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙; 𝑄𝑠 = 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑜𝑟 𝑓𝑢𝑠𝑡𝑒; 𝑄𝑝 = 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑜𝑟 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎.

Ecuación 1. Capacidad de carga axial (Barreto Maya, 2011)

Capacidad por punta: Para calcular la capacidad por punta existen múltiples metodologías, algunas de ellas son la de Vesic (1967) y la de Terzaghi, en ambas la capacidad por punta se ve relacionada con el área de la punta (Ap) y un factor de carga (qp) que depende de la cohesión y el esfuerzo efectivo en la punta. Los factores de carga se hallan directamente de tablas (son distintos en cada metodología). Estas metodologías de capacidad por punta suponen que se deben presentar asentamientos considerables para que la pila trabaje por este mecanismo (Builes Brand M. , 2015). A continuación se mostrarán varias metodologías usadas comúnmente para el cálculo de la capacidad de carga por punta:

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Ecuación 2. Capacidad por punta y perfil de deformaciones de Vesic (Das, 2012)

Ecuación 3. Capacidad de carga y supuesto deformaciones Terzaghi (Builes Brand M. A., 2015).

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MEYERHOF

𝑄𝑝 = 𝐴𝑝 ∗ (𝐶 ∗ 𝑁𝑐 + 𝑞 ∗ 𝑁𝑞)

𝑁𝑐; 𝑁𝑞 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑟𝑖𝑐𝑐𝑖ó𝑛

𝑞 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑒𝑓𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑜 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑝𝑢𝑛𝑡𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑖𝑙𝑎

Ecuación 4. Capacidad de Carga por punta según Meyerhof (Das, 2012)

JANBU

𝑄𝑝 = 𝐴𝑝 ∗ (𝐶 ∗ 𝑁𝑐 + 𝑞 ∗ 𝑁𝑞);

𝑁𝑐 𝑦 𝑁𝑞 = 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑒𝑠 𝑑𝑒 𝑡𝑎𝑏𝑙𝑎𝑠

El valor del parámetro 𝜑 puede variar entre 60° y 70° para arcillas blandas (Das, 2012)

Ecuación 5. Capacidad de carga por punta método de Janbu (de Jesús Nij Patzan, 2009)

BERENZANTSEV

𝑄𝑝 = 𝐴𝑝 ∗ (𝐶 ∗ 𝑁𝑐 + 𝑞 ∗ 𝑁𝑞);

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Nc = Factor de carga dependiente del ángulo de fricción del suelo

Nq = Factor de carga dependiente del ángulo de fricción y relaciónL

D

Ecuación 6. Capacidad de carga por punta método Berenzantsev (Berenzantzev, 1961)

Capacidad por fuste: Este mecanismo funciona por la interacción friccionante entre el suelo y la fundación, esta depende de la longitud de la pila, la fricción lateral de ambos materiales y el ángulo de fricción. Estas metodologías, a diferencia de las anteriores, dependen mucho de la clasificación del material del suelo (ya que para cada material sea arena o arcilla existen metodologías distintas), además de esto, este mecanismo no necesita de una deformación significativa para que la pila empiece a desarrollar dicha capacidad de carga. A continuación se mostrarán unas de las metodologías existentes para suelos cohesivos:

MÉTODO LAMBDA

𝑄𝑠 = 𝑃 ∗ 𝐿 ∗ 𝐹𝑠𝑝𝑟𝑜𝑚;

𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑, 𝑃 = 𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜; 𝐹 = 𝜆 ∗ (𝜎𝑝𝑟𝑜𝑚 + 2 ∗ 𝐶𝑢); 𝜆 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝐿

Ecuación 7. Método Lambda (Das, 2012)

MÉTODO ALFA

𝑄𝑠 = 𝑃 ∗ 𝐿 ∗ 𝐹𝑠𝑝𝑟𝑜𝑚;

𝐿 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑, 𝑃 = 𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜; 𝐹 = 𝛼 ∗ 𝐶𝑢,

𝛼 = 𝐹𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑜ℎ𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑛𝑜 𝑑𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 (𝐶𝑢)

Ecuación 8. Método Alfa para capacidad por fuste (Das, 2012)

Asentamientos: El cálculo de los asentamientos en pilas propone una metodología compuesta por tres tipos de asentamientos, los cuales dependen de un asentamiento debido a la superposición de ambos tipos de capacidad de carga (Se1), la capacidad de carga por punta (Se2) y la capacidad de carga por fuste (Se3), a continuación se exhibirán las ecuaciones para el cálculo de cada una de las partes que compone el asentamiento total elástico de una pila.

𝑆𝑒 = 𝑆𝑒1 + 𝑆𝑒2 + 𝑆𝑒3

Ecuación 9. Asentamientos elásticos totales (Das, 2012)

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Ecuación 10. Asentamiento elástico 1 en pilas (Das, 2012)

Ecuación 11. Asentamiento Elástico debido a la carga por punta (Das, 2012)

Ecuación 12. Asentamiento Elástico debido a la carga por fuste (Das, 2012)

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o Carga lateral

En la realidad, las estructuras pueden estar sometidas a cargas laterales impuestas por el viento, sísmicas o por cargas de agua (estáticas o dinámicas), las cuales siempre serán llevadas hasta las fundaciones como los grupos de pilas, por ende se hace necesario el cálculo de la resistencia a carga lateral de la fundación (Builes Brand M. A., 2015) . Existen varias metodologías, a continuación se mostrará una de ellas, la cual es conocida como el Método de Broms (Builes Brand M. A., 2015). Este método está basado en cómo la geometría de la pila (dependiendo si es corta o larga) puede influir en la falla del sistema suelo- estructura, ya sea por flexión aplicada a la pila (pila larga) o por los cortantes generados en el sistema (pila corta) (Das, 2012). Al final, para conocer la carga que se debe a las pilas desde la superficie, se debe entrar a una ecuación adimensional para conocer los valores de carga última adimensionales y así, poder matemáticamente encontrar el valor de carga última.

Ilustración 1. Método de Broms para arcillas (Das, 2012).

o Aproximación al módulo de reacción

Esta metodología se basa en lo propuesto por Winkler en el siglo pasado, en donde se puede representar el suelo como un medio elástico, el cual reemplaza el suelo por una serie infinita de resortes elásticos sometidos a una carga lateral (Das, 2012). Como conclusión, de este método se puede evaluar las deflexiones debidas a las cargas impuesta sobre el sistema suelo-pila. Al igual que en cargas verticales, si se considera un espaciamiento entre pilas mayor a 2,5 veces el diámetro de las mismas, el cálculo de la capacidad por grupo se puede resumir a la capacidad unitaria multiplicado por el número de pilas.

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Ilustración 2. Modelo elástico del suelo a carga lateral (Das, 2012)

𝐾 =𝑃(

𝑇𝑜𝑛𝑚 )

𝑥(𝑚)

𝑘 = 𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛; 𝑃 = 𝐶𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙; 𝑥 = 𝐷𝑒𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑙.

Ecuación 13. Ecuación elástica del suelo (Builes Brand M. A., 2015).

En el transcurrir de los años, muchos autores han desarrollado correlaciones para calcular el módulo de reacción lateral con base en ensayos de campo y laboratorio, haciendo la distinción entre suelos friccionantes y suelos cohesivos. A continuación se muestra la ecuación analítica desarrollada por Vesic para suelos cohesivos, donde se relaciona el módulo de reacción con el módulo de elasticidad del suelo (Es), el diámetro de la pila (D), el módulo de elasticidad y la inercia de la pila (Ep- Ip) y el módulo de Poisson del suelo (Mu):

Ecuación 14. Correlación de Vesic para el módulo de reacción en suelos cohesivos (Facultad de Ingeniería U.N.L.P, 2015)

A partir de esta teoría de resortes, se han desarrollado múltiples ecuaciones y formulaciones en donde se puede obtener el perfil de momento a profundidad de fundación desarrollado en el suelo, las deflexiones en todo el perfil a profundidad en toda la extensión de la fundación, la fuerza de corte en cualquier parte de la fundación y la reacción del suelo a cualquier profundidad de fundación, Davisson y Gill en 1963 dieron soluciones en el rango elástico para suelos cohesivos (Das, 2012), a continuación se evidencia la formulación propuesta en 1963 para las deflexiones:

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𝑅 = (𝐸𝑝 ∗𝐼𝑝

𝐾ℎ)

1

4; 𝑍𝑚𝑎𝑥 =

𝐿

𝑅

Qg= Carga aplicada en la superficie

A’x y B’x= son valores tomados de tablas

Ecuación 15. Deflexiones por el Método de Modulo de reacción (Das, 2012)

Ilustración 3. Tabla de constantes para el cálculo de las deflexiones (Das, 2012)

Para el cálculo de la reacción teórica del suelo a profundidad, Reese y Matlock propusieron una metodología para suelos cohesivos, la cual depende de la cohesión no drenada del suelo, del esfuerzo vertical efectivo a la profundidad analizada, de la profundidad en donde se calcula la reacción y el diámetro de la pila (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985).

Ecuación 16. Cálculo de la reacción teórica del suelo (Pu) (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985)

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o Grupos de pilas

Para tener una mayor economía en el diseño y construcción de las cimentaciones de las estructuras, se pensó en los grupos de pilas; lo que se busca con esta idea es obtener la capacidad de carga del suelo necesaria para apoyar las estructuras con menores volúmenes de material de fundación, esta idea está basada en el trabajo solidario de cada uno de los pilotes con su grupo.

Esta metodología funciona de forma correcta siempre y cuando se tenga un espaciamiento entre pilotes que permita que los esfuerzos de cada pila se desarrollen de forma individual. Si no se conserva un espaciamiento necesario, los pilotes pueden entrar en una superposición de bulbos, es decir, el área transmisión de las cargas de cada uno de los pilotes se va a ver superpuesta con el área de transmisión de cargas de los pilotes adyacentes, formando así un bulbo de presiones mucho más grande, lo cual puede ser un problema, ya que este bulbo podría llegar a caer en un estrato mucho más compresible (dependiendo del perfil geológico de cada caso de estudio) al que se pensaba, y la interacción suelo estructura no será la diseñada y se producirán asentamientos mucho más grandes a los calculados (Delgado Vargas, 1996).

Ilustración 4. Diferencia en los bulbos de presiones (Delgado Vargas, 1996).

Con el fin de evitar dicho problema, en el libro de Manuel Delgado llamado Ingeniería de Fundaciones (Delgado Vargas, 1996) recomiendan unos espaciamientos mínimos medidos entre centro y centro de pilote de 75cm para pilotes de punta sobre estratos duros o 105cm para pilotes por fricción; estos valores son solo una guía, y no un valor estándar, por ende, siempre será recomendable dejar un espaciamiento entre centros de pilotes de tres veces el diámetro de los pilotes. Para poder transmitir las cargas de las estructuras al grupo de pilotes de manera uniforme, se debe de diseñar un elemento rígido llamado cabezal, el cual se encarga de pasar las cargas de la estructura al grupo. Para medir la manera en que el grupo trabaja de forma conjunta, se implementó el término de eficiencia, el cual relaciona la capacidad de carga del grupo con respecto a la multiplicación de la capacidad de carga

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de un pilote individual por el número de pilotes en el grupo. Si el grupo de pilotes soportan lo mismo trabajando en grupo que cada uno actuando de manera individual, la eficiencia tendrá un valor de 1 (Delgado Vargas, 1996).

𝐸 =𝑄𝑔

𝑛 ∗ 𝑄; 𝑄𝑔 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑔𝑟𝑢𝑝𝑜; 𝑄 = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑖𝑛𝑑𝑖𝑣𝑖𝑑𝑢𝑎𝑙.

Ecuación 17. Eficiencia (Delgado Vargas, 1996).

Para calcular la capacidad del grupo, se han desarrollado múltiples metodologías, las cuales dependen de factores geométricos y de la composición del suelo.

𝑄𝑔 = 𝐶𝑢 ∗ 𝑁𝑐 ∗ 𝐵 ∗ 𝐿 + 2 ∗ 𝐷 ∗ (𝐵 + 𝐿) ∗ 𝐶𝑢𝑚

Ecuación 18. Carga de grupos para suelos cohesivos saturados (Delgado Vargas, 1996)

𝐶𝑢 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑛𝑜 𝑑𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑒𝑛 𝑙𝑎 𝑏𝑎𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑟𝑢𝑝𝑜 𝑁𝑐 = 𝐶𝑜𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑆𝑘𝑒𝑚𝑝𝑡𝑜𝑛. 𝐶𝑢𝑚 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑛𝑜 𝑑𝑟𝑒𝑛𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 𝑎 𝑙𝑜 𝑙𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑒𝑠 𝐵 = 𝑎𝑛𝑐ℎ𝑜 𝑑𝑒𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑢𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑔𝑟𝑢𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑒𝑠 𝐿 = 𝐿𝑎𝑟𝑔𝑜 𝑑𝑒𝑙 á𝑟𝑒𝑎 𝑞𝑢𝑒 𝑐𝑢𝑏𝑟𝑒 𝑒𝑙 𝑔𝑟𝑢𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑒𝑠; 𝐷 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑝𝑖𝑙𝑜𝑡𝑒𝑠

La eficiencia del grupo de pilotes se ve regida directamente por la separación entre estos, ya que si se encuentran a muy poca separación los unos con los otros, por lo explicado anteriormente sobre el bulbo de presiones, la eficiencia será inferior a 1; pero si por el contrario, la separación entre los pilotes empieza a ser mayor, la eficiencia del grupo crecerá, pero la verdadera capacidad de carga será la menor entre Q*n y Qg (basado en la teoría del libro de Manuel Delgado) (Delgado Vargas, 1996). “Terzaghi y Peck consideran que un grupo de pilotes es seguro si, respecto a una falla como bloque rígido, la carga de diseño (n*Q) no excede a Qg/3” (Delgado Vargas, 1996). Por ende, se debe de buscar un espaciamiento que haga que crezca la eficiencia pero mantenga el diseño entre los límites de seguridad pertinentes.

1.4.4 Modelación física para grupos de pilas

Como se mencionó en ocasiones anteriores, las metodologías de diseño arrojan resultados con alta variabilidad; con el fin de poder lograr resultados con una mayor probabilidad de ocurrencia o revisar los resultados obtenidos por las metodologías, se tiene la práctica de ensayos de carga de pilas o pilotes en campo e inclusive para algunas construcciones de gran magnitud, estos ensayos son obligatorios. Existen muchas definiciones de lo que es un modelo estructural, pero una de las aceptadas en general por el gremio ingenieril es la que menciona la ACI Committe 444: “Structural model is any physical representation of a structure or a portion of a structure. Most commonly, the model will be constructed at reduced scale” (ACI Committe 444). Por lo general, dichos modelos experimentales suelen ser clasificados como modelos indirectos, cuando únicamente se tiene como objetivo buscar una tentativa de los diagramas de Momento, cortante y carga axial, suele suceder que estos no concuerden con la geometría del modelo teórico; modelos directos, cuando la geometría y la carga se han escalado de manera correcta y en estos se puede encontrar

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todas las reacciones, esfuerzos y deformaciones solicitadas de manera representativa; modelos de fuerza cuando además de ser un modelo directo, se es concordante con el material y el experimento se lleva a la falla (Harris & Sabnis, 1999).

Para realizar un estudio de un fenómeno estructural a partir de modelos experimentales a escala, muchos autores recomiendan sus propios métodos, pero en general (y basado en el libro de Structural Modeling and Experimental Techniques) se puede generalizar un debido proceso de la siguiente manera (Harris & Sabnis, 1999):

1. Definir el alcance del modelo.

2. Definir la similitud en geometría, cargas, materiales y demás características físicas del modelo.

3. Definir el tamaño del modelo a escala y la confiabilidad de los resultados a partir de metodologías de análisis dimensional.

4. Idear una logística de fabricación del modelo.

5. Definir y detallar la instrumentación y equipamiento necesario para el modelo y los ensayos que se le quieran realizar (suelen ser equipos electrónicos que por lo general ya traen calculado el error que traen por defecto).

6. Definir e implementar el equipo de carga.

7. Observar la respuesta del modelo y obtener registros fotográficos, notas e información record del experimento.

8. Analizar la información obtenida y concluir.

El objetivo de los ensayos en grupos de pilas es determinar la curva de Carga vs Asentamiento a partir de la imposición de cargas axiales y laterales. Con dichos resultados, se realiza una comparación con los datos calculados en la oficina de diseño y se determina si el diseño cumple con las solicitaciones de carga real (Delgado Vargas, 1996).Al proponer una prueba como esta, se debe de tener muy claro el objetivo de esta práctica, ya que de acuerdo con este, se variará el procedimiento y las condiciones iniciales de la cimentación de prueba como geometría y carga aplicada para la prueba:

- Pilotes de prueba: Con este tipo de ensayo lo que se busca es refinar y finalizar el diseño de las fundaciones a partir de la exploración exacta del comportamiento suelo- estructura de estas. Para implementar este tipo de pruebas se debe de tener un primer diseño de fundaciones, con el fin de poder determinar las dimensiones del pilote de prueba (debe de ser del mismo diámetro de la fundación real y estar adyacente al lugar en donde se construirá la real). Por lo general, en este ensayo, el pilote es llevado al estado de falla (Delgado Vargas, 1996).

- Pruebas sobre pilotes de trabajo: Estas pruebas se realizan con los pilotes reales ya construidos o hincados en campo, lo que se quiere es verificar el correcto

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funcionamiento de los pilotes en el sitio, con el fin de corroborar el diseño realizado. Por lo general, estos pilotes solo se llevan hasta el doble de la carga de diseño y es solo una prueba de comprobación (Delgado Vargas, 1996).

Independiente del método que se use, se deben tener en cuenta los efectos que acarrea cada uno de los métodos constructivos (como por ejemplo el hincado) sobre el suelo y el pilote, además de eso, también debe de ser considerada la respuesta instantánea del suelo frente a los efectos de instalación y se debe de determinar el grado de consolidación del suelo ya que puede afectar al desarrollo del ensayo de carga por efectos de fricciones negativas.

o Montaje de los ensayos

Con las especificaciones de pila seleccionadas, se hace necesario diseñar el montaje y el tipo de ensayo que se realizará de acuerdo a las intenciones de esta práctica. Un montaje típico debe de incluir los siguientes elementos (Delgado Vargas, 1996):

- Dispositivos de reacción como plataformas de carga o vigas vinculadas en los extremos a pilotes de anclaje.

- Equipos de aplicación de carga como los gatos hidráulicos.

- Instrumentos de medición de carga (manómetros o celdas de cargas), desplazamientos (como los deformímetros o instrumentación a lo largo del pilote).

“El diseño del montaje se ve ligado a los objetivos del ensayo y de los procedimientos de prueba formulado, usualmente normalizado, para realizar el ensayo “ (Delgado Vargas, 1996). Existen varios tipos de ensayos, los cuales están regidos bajo la premisa de carga controlada, en donde se hace variar la carga cierto delta y se miden las deformaciones provocadas en el terreno; o bajo la premisa de deformación controlada, en donde se hace variar los asentamientos en 1% del diámetro de la pila y se toman medidas de la carga aplicada para provocar dicha deformación (Delgado Vargas, 1996). En la ASTM se encuentra definido los cuatro métodos básicos de ensayo, de los cuales se deriva una gran cantidad de ensayos personalizados para cada caso específico.

- Método lento de ensayo con carga sostenida.

- Método rápido de ensayo con carga sostenida.

- Método de ensayo con tasa constante de penetración.

- Método sueco de ensayo cíclico.

De acuerdo con cada una de las solicitaciones que se le exigen a la prueba, se decide cúal ensayo es el que se debe realizar y cuáles son las condiciones del ensayo por definir (rigiéndose a la norma respectiva de cada país).

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1.4.5 Interpretación de los resultados

De los ensayos de carga en pilas se obtiene como resultado una tabla (o gráfico) que relaciona la carga aplicada vs la deformación en el terreno. Es de gran importancia tener el criterio suficiente para poder leer dicha información y concluir acerca de los resultados obtenidos. En general, la gráfica obtenida siempre tendrá un comportamiento casi lineal en su inicio (en donde se dice que el suelo trabaja de forma “elástica”); luego ocurre una transición entre el estado elástico y el estado plástico de deformaciones, en donde se evidencia un cambio de curvatura de la gráfica; por último, se puede observar un comportamiento casi asintótico con respecto al eje de las deformaciones, lo que da a entender que la carga a superado la capacidad portante del suelo y se seguirá sufriendo grandes deformaciones bajo la misma carga aplicada (Delgado Vargas, 1996).

Es probable que no todos los ensayos tengan esta geometría tan definida y esto es debido a que la composición del suelo es demasiado variable entre distintos lugares de estudio, por ende, la respuesta frente a la carga aplicada será dominada por distintos factores entre uno y otro lugar de estudio (como se mencionó anteriormente, la capacidad de carga de una pila está compuesta por la suma de la componente de punta y la componente por fuste); por ejemplo, “en los pilotes flotantes en arcillas saturadas, se ha observado una transición brusca cerca de la falla, que refleja el hecho de que la capacidad de carga resulta dominada por la componente de fricción y es pequeña la incidencia de la componente por punta” (Delgado Vargas, 1996); existen también otros factores técnicos no relacionados con el suelo o la pila que hacen variar el comportamiento y precisión de la gráfica; estos factores pueden ser la velocidad de aplicación de la carga, capacidad limitada del dispositivo de carga que no permite llevar la pila al fallo, no aleatoriedad en la selección de la ubicación de los instrumentos de medida y la escala del gráfico (Gutiérrez Aranzeta, 1998).

Para facilitar la lectura adecuada de la gráfica (para poder obtener el valor real de la capacidad última de carga de los resultados del ensayo), varios autores como Vesic (1975) y Davisson (1972) han desarrollado metodologías compuestas de varios factores que dan indicios de cómo seleccionar la posible carga última de la gráfica de carga vs asentamientos. Según Vesic en la siguiente imagen, “el criterio 1b es probablemente el más aceptable en la práctica general de la ingeniería y debe usarse así, a menos que la curva muestre una carga pico definida “ (Delgado Vargas, 1996), ya que esta carga pico podría ser la posible carga última. Aunque estas metodologías pueden servir de ayuda para la toma de decisiones, el ingeniero geotecnista tendrá la última palabra para definir con cúal valor de carga se trabajará de acuerdo a lo obtenido en los resultados del ensayo (siguiendo obviamente las restricciones que le impone la norma de su país).

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Ilustración 5. Criterios según Vesic (Delgado Vargas, 1996).

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2. METODOLOGÍA

2.1 DEFINICIÓN DE LAS VARIABLES RELEVANTES

2.1.1 Revisión del estado del arte y consulta con expertos

Durante la ejecución del trabajo de grado se realizará una búsqueda de información que alimente al proyecto de ideas que puedan dar soluciones de manera creativa y práctica, tanto desde la parte conceptual y teórica como la componente experimental; por lo tanto, se define como objetivo de esta sección el poder actualizar el conocimiento en materia del tema respectivo al proyecto, teniendo como guía para el desarrollo del mismo la información recolectada desde las bases de datos científicas disponibles en la página web de la Universidad EIA, las cuales están catalogadas como abiertas para el buen uso de los estudiantes de la institución; y de literatura disponible en el medio. Además de realizar una revisión del estado del arte, también se programarán reuniones informales con expertos en temas de geotecnia, modelación y experimentación de sistemas, con el propósito de tener la opinión y acompañamiento de personas que tienen experiencia en dichos temas, todo en pro de lograr tener la mayor cantidad de información posible para la toma de decisiones y definición de los aspectos más importantes del trabajo de grado (cabe aclarar que dichas reuniones son voluntarias y no acarrean un costo económico ni compromiso directo de ambas partes).

2.1.2 Definición de los aspectos más importantes del modelo

A medida que se recolecte información sobre los temas ya mencionados en el numeral anterior, se irá definiendo aspectos importantes para el proyecto tales como las variables a medir, la especificación de la extracción de las muestras para los ensayos de carga, la geometría del modelo experimental, el procesamiento de la información y lo respectivo a los cálculos teóricos que se realizarán, las variables a controlar para idealizar el modelo experimental y demás cuestiones que surjan de las recomendaciones que los expertos den para la ejecución del trabajo de grado.

2.2 DISEÑO DEL MODELO EXPERIMENTAL Y MODELO TEÓRICO

2.2.1 Estudio de suelos

Para poder determinar la capacidad portante del suelo en el lugar de estudio (suelos de la EIA) y poder clasificarlo, se hacen necesarios varios ensayos de laboratorio que fueron explicados anteriormente; los ensayos que se decide realizar para la clasificación del suelo son los Límites de Atterberg (Normas I.N.V.E-125-07, I.N.V.E-126-07), de los cuales se calcula necesariamente la humedad de cada muestra. Para la caracterización mecánica del suelo se decide realizar los ensayos de Resistencia al corte (Norma I.N.V.E -154-07).

Es de resaltar que sólo se realizará un ensayo de cada uno de los mencionados anteriormente ya que como el modelo es pequeño, con la cantidad de ensayos seleccionada es suficiente para poder caracterizar y clasificar la zona de estudio. La extracción y los

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ensayos de las muestras se realizarán de acuerdo a lo especificado en las normas Invías, implementando un tubo Shelby para la extracción y los diferentes equipos de laboratorio para los ensayos (Ministerio de transporte, 2013).

2.2.2 Diseño a escala

En este ítem del proyecto, se define las dimensiones del modelo experimental y sus propiedades mecánicas debidas a la geometría definida y materiales usados. Con todos los parámetros anteriormente detallados, se aplica teoría de mecánica de materiales para determinar la respuesta estructural del modelo a escala de los grupos de pilas, con el fin de garantizar que luego de la aplicación de una carga determinada en este punto del trabajo de grado (tanto vertical como lateral), el sistema concebido como estructura no falle y transmita en todo momento las cargas impuestas al suelo en los ensayos de carga (hasta que este falle).

2.2.3 Capacidad de carga teórica

Para poder determinar el comportamiento teórico del grupo de pilas en los suelos de la EIA se hace necesario realizar el cálculo teórico a escala de experimentación a partir del uso de las metodologías explicadas en el marco de referencia, tanto a carga axial como a carga lateral. Los cálculos de la capacidad de carga aplicando las metodologías ya mencionadas serán alimentados con los datos arrojados por los ensayos de laboratorio del suelo y geometría estipulada a partir del criterio ingenieril. Al final, se podrán comparar los datos obtenidos de las típicas metodologías de diseño teórico contra los datos obtenidos a escala de los ensayos de carga.

2.3 CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL MODELO

2.3.1 Construcción del modelo

El modelo estará constituido por las partes ya mencionadas en el numeral anterior y estará sujeto con uniones metálicas o con acabados en soldadura (la que permita mayor agilidad y facilidad a la hora de la construcción). Para el montaje se necesitará la extracción de una muestra de suelo de 43 cm de altura y 36 cm de diámetro como mínimo, la cual será almacenada en un depósito de residuos y usada para la realización del ensayo de carga hecho en laboratorio (Builes Brand M. , 2015). Luego de construido el modelo, será transportado al laboratorio en donde se hará la implementación de los ensayos de carga.

2.3.2 Implementación del modelo y ensayos de carga

Para poder determinar el comportamiento del modelo a escala, se realizarán ensayos de carga axial y lateral (1 prueba de cada tipo de carga como mínimo). La platina que une las pilas servirá como el elemento que permitirá la adecuada transmisión de las cargas a todo el conjunto de forma homogénea, con el fin de evitar excentricidades en la aplicación de la carga.

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Los ensayos de carga serán realizados por un montaje a escala que permita la aplicación de la fuerza de forma controlada o por deformación controlada. La fuerza será hecha por un gato hidráulico con una sensibilidad y precisión adecuada para poder tomar las lecturas necesarias, logrando así obtener el perfil de deformaciones del suelo y las pilas. Para la prueba de carga serán usados los sistemas electro-mecánicos de la EIA, los cuales serán calibrados por el personal encargado de dicha labor en la Universidad. El montaje deberá tener unos apoyos que transmitan las reacciones hechas por las pilas al montaje a la hora de aplicar la carga, con el fin de evitar distorsiones en los resultados. Un ejemplo de montaje a escala real es el observado en la siguiente imagen.

Ilustración 6. Montaje a escala real (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985).

Uno de los tipos de ensayos que existen en el medio se conoce como ensayo de carga sostenida, en donde se incrementa gradualmente la carga aplicada y se miden las deformaciones a partir de deformímetros instalados en el modelo. La “Specification for Piling and Embedded Retaining Walls” del ICE (Institution of Civil Engineers) y la ASTM D-1143 se detalla en qué magnitud y cada cuánto tiempo debe de ser incrementada la carga, donde el DVL es la carga admisible del grupo de pilas y SWL es la carga de diseño del grupo de pilas (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985) (Telford, 2007). Otro tipo de ensayo es el que permite incrementar de manera controlada la deformación en un punto fijo del prototipo y medir la carga aplicada para obtener ese delta de deformación, a este tipo de ensayo se le conoce como ensayos de velocidad constante de penetración (CRP por sus siglas en ingles) y permiten tener control del servicio de los elementos que componen las estructuras a ensayar, estos ensayos tienen como característica ser ensayos de tiempos de duración cortos, debido a que el control de deformaciones permite una estimación promedio del tiempo para alcanzar el estado de carga última del suelo, debido a que esta carga se desarrolla generalmente en deformaciones entre el 5% y el 10% de la dimensión del diámetro de las pilas (Barreto Maya, 2011) (Gutiérrez Aranzeta, 1998)

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Tabla 1. Desglose de aplicación de carga (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985).

2.4 ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS Y CONCLUSIONES

Luego de obtener las lecturas de la capacidad de carga axial, lateral y de las deformaciones de cada ensayo, se procede a comparar con los datos teóricos calculados por las metodologías tradicionales. En este entregable se obtendrán los gráficos de carga vs deformación (tanto para el caso axial como el lateral) obtenidos de forma experimental con la ayuda de todos los instrumentos de medida y podrán ser puestos en comparación con los datos calculados teóricamente. También se deberán realizar los debidos apuntes a la hora de los ensayos, ya que estos dan indicios de factores que se pueden mejorar a la hora de un futuro proyecto o de variables que podrían llegar a ser significativas para el modelo y no fueron tenidas en cuenta (que podrían resultar en distorsiones en los resultados). Como última labor quedará concluir acerca de los análisis hechos del proyecto y realizar las críticas positivas y negativas que podrían tenerse a la hora de haber finalizado el proyecto, esto con el fin de retroalimentar la investigación hecha y proponer futuros trabajos posibles. A continuación se mostrará un ejemplo de ficha de apuntes que suele tenerse en este tipo de experimentación con pilas (aunque llenar un formato como el que se mostrará no se hace obligatorio a la hora de implementar ensayos de carga).

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Tabla 2. Formato de apuntes (Fleming, Weltman, Randolph, & Elson, 1985).

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3. VERIFICACIÓN DE METODOLOGÍAS DE DISEÑO PARA GRUPOS DE PILAS EN SUELOS RESIDUALES

3.1 DEFINICIÓN DE LAS VARIABLES RELEVANTES

3.1.1 Revisión del estado del arte y consulta a expertos

Uno de los asesores externos del proyecto fue la firma Vieco Ingeniería, con este se realizaron varias entrevistas y reuniones donde se trataron los temas pertinentes a medida que se avanzó en el análisis adimensional, montaje, obtención y análisis de los resultados. En general los ingenieros de dicha compañía aseguran que la condición de formación, comportamiento estructural y de distribución espacial de los suelos residuales es totalmente diferente con respecto a la de los suelos sedimentarios; además de eso, también comentaron que se hace necesaria toda una evaluación y modelación estruct